JP2009088189A - DMOS transistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DMOSトランジスタ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a DMOS transistor and a manufacturing method thereof.
DMOSトランジスタは、二重拡散でソース層とチャネルとなるボディ層が形成されたMOS電界効果型トランジスタであり、電源回路やドライバー回路等の電力用半導体素子として用いられている。 A DMOS transistor is a MOS field effect transistor in which a body layer serving as a source layer and a channel is formed by double diffusion, and is used as a power semiconductor element such as a power supply circuit and a driver circuit.
近年、電子機器の小型化、低消費電力化の要求により、DMOSトランジスタの低オン抵抗化が求められている。このため、微細加工技術を用いてトランジスタのピッチを縮小して単位面積当たりのトランジスタ数を増大させている。また、従来は熱拡散により形成されたボディ層を斜めイオン注入技術により形成することでトランジスタのチャネル長を短縮し、低オン抵抗化が図られている。 In recent years, there is a demand for lower on-resistance of DMOS transistors due to demands for downsizing electronic devices and lowering power consumption. For this reason, the number of transistors per unit area is increased by reducing the pitch of the transistors using a microfabrication technique. Conventionally, a body layer formed by thermal diffusion is formed by an oblique ion implantation technique, thereby shortening the channel length of the transistor and reducing the on-resistance.
以下、Nチャネル型の横型DMOSトランジスタの構造と製造方法について、図12及び図13を参照して説明する。図12は横型DMOSトランジスタのパターンを示す平面図、図13は、図12の断面図であり、図13(A)は図12のX−X線に沿った断面図、図13(B)は図12のY−Y線に沿った断面図である。 Hereinafter, the structure and manufacturing method of an N-channel lateral DMOS transistor will be described with reference to FIGS. 12 is a plan view showing a pattern of a horizontal DMOS transistor, FIG. 13 is a cross-sectional view of FIG. 12, FIG. 13A is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 12, and FIG. It is sectional drawing along the YY line of FIG.
N型の半導体基板10(例えば、シリコン単結晶基板)の表面に、N型のソース層11が形成されている。ソース層11は、N型層11Aと、N型層11Aよりも高濃度のN+型層11Bから構成されている。
An N-
また、半導体基板10の表面にはソース層11に隣接して、ゲート絶縁膜12及びゲート絶縁膜12に繋がった電界緩和用絶縁膜13(LOCOS膜)が形成され、このゲート絶縁膜12上から電界緩和用絶縁膜13の一部上にゲート電極14(例えば、ポリシリコン膜からなる)が形成されている。このゲート電極14はソース層11をリング状に囲むように形成されおり、ソース層11はリング状のゲート電極14の四角形の開口部分から露出されるようになっている。また、ゲート電極14の側壁にはスペーサ膜15(例えば、シリコン酸化膜からなる)が形成され、このスペーサ膜15を用いてソース層11の高濃度のN+型層11Bが形成される。
A gate
また、半導体基板10の表面にN+型のドレイン層16が形成されている。ドレイン層16は、電界緩和用絶縁膜13を間に挟んで、ソース層11から離間されて配置されている。
An N +
そして、ソース層11に部分的に重畳されるとともに、ゲート電極14の下方の半導体基板10の表面に延びたP型のボディ層17が形成される。このボディ層17の表面はゲート電極14に印加される電圧が閾値電圧以上になるとN型に反転し、ソース層11とドレイン層16との間の導電チャネルを形成するようになっている。
Then, a P-
以下、ボディ層17の形成方法について説明する。ゲート電極14上に端を有し、電界緩和用絶縁膜13及びドレイン層16をカバーするホトレジスト層18を形成する。
Hereinafter, a method for forming the
ソース層11及びソース層11に隣接したゲート電極14の端部はホトレジスト層18から露出されている。そして、図12のA、B、C、Dの矢印で示された4方向から、P型不純物の斜めイオン注入を行う。つまり、ゲート電極14とホトレジスト層18をマスクとして、半導体基板10の表面に対して垂直方向から傾斜した方向からイオンビームを入射させる。
The
このような斜めイオン注入によれば、ゲート電極14の下方の狭い領域にボディ層17を形成することができるので、トランジスタのチャネル長を短縮し、低オン抵抗化を図ることができる。
According to such oblique ion implantation, since the
なお、DMOSトランジスタについては、特許文献1、2に記載されている。
しかしながら、上記の斜めイオン注入の際に、ゲート電極14とホトレジスト層18のシャドーイング効果により、ゲート電極14の内側のコーナー部にはイオンが注入され難いため、この部分でボディ層17の不純物濃度の低下が起こる。この現象は、微細化技術を適用してDMOSトランジスタを形成する場合、ゲート電極14とホトレジスト層18のアスペクト比を高くすると顕著になる。
However, during the above-described oblique ion implantation, ions are difficult to be implanted into the inner corner portion of the
この結果、ゲート電極14の内側のコーナー部において、ボディ層17の不純物濃度が局所的に低下して閾値電圧の低下が起こり、この部分でソース層11とドレイン層16との間のリーク電流の増加、トランジスタのオフ時のソースドレイン間耐圧の低下、という問題が生じる。
As a result, the impurity concentration of the
本発明のDMOSトランジスタの製造方法は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された第1導電型のソース層と、前記前記半導体基板の表面に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して、前記ソース層を囲んでリング状に形成されたゲート電極と、前記ソース層に重畳されるとともに、前記ゲート電極の下方の半導体基板の表面に延びた第2導電型のボディ層と、前記ソース層に対応して前記半導体基板の表面に形成された第1導電型のドレイン層と、を備えたDMOSトランジスタの製造方法において、前記ボディ層を形成する工程は、前記ゲート電極の内側のコーナー部を臨んで、第2導電型不純物を前記半導体基板の表面にイオン注入する工程を含むこと特徴とする。 A method of manufacturing a DMOS transistor of the present invention has been made in view of the above-described problems, and includes a semiconductor substrate, a first conductivity type source layer formed on the surface of the semiconductor substrate, and a surface of the semiconductor substrate. A gate insulating film formed on the gate insulating film, a gate electrode formed in a ring shape surrounding the source layer via the gate insulating film, and a semiconductor substrate superimposed on the source layer and below the gate electrode In a method of manufacturing a DMOS transistor, comprising: a second conductivity type body layer extending to the surface of the semiconductor substrate; and a first conductivity type drain layer formed on the surface of the semiconductor substrate corresponding to the source layer. The step of forming the body layer includes a step of ion-implanting a second conductivity type impurity into the surface of the semiconductor substrate so as to face an inner corner of the gate electrode.
係るDMOSトランジスタの製造方法によれば、前記ボディ層を形成する工程は、前記ゲート電極の内側のコーナー部を臨んで、第2導電型不純物を前記半導体基板の表面にイオン注入する工程を含んでいるので、前記コーナー部において、前記ボディ層の不純物濃度が局所的に低下することが抑えられる。これにより、リーク電流を低減し、トランジスタのオフ時のソースドレイン間耐圧を向上することができる。 According to the method of manufacturing a DMOS transistor, the step of forming the body layer includes a step of ion-implanting a second conductivity type impurity into the surface of the semiconductor substrate so as to face a corner portion inside the gate electrode. Therefore, it is possible to suppress a local decrease in the impurity concentration of the body layer in the corner portion. Thereby, leakage current can be reduced and the breakdown voltage between the source and the drain when the transistor is off can be improved.
また、本発明のDMOSトランジスタは、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された第1導電型のソース層と、前記前記半導体基板の表面に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して、前記ソース層を囲んでリング状に形成されたゲート電極と、前記ソース層に重畳され、前記ゲート電極の下方の半導体基板の表面に延びた第2導電型のボディ層と、前記ソース層に対応して前記半導体基板の表面に形成された第1導電型のドレイン層と、を備え、前記ボディ層の不純物濃度は前記ゲート電極の内側のコーナー部で低下しており、前記ソース層は、前記コーナー部から離間して形成されていることを特徴とする。 The DMOS transistor of the present invention includes a semiconductor substrate, a first conductivity type source layer formed on the surface of the semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate, and the gate insulating film. A gate electrode formed in a ring shape surrounding the source layer, a body layer of a second conductivity type superimposed on the source layer and extending to the surface of the semiconductor substrate below the gate electrode, A drain layer of a first conductivity type formed on the surface of the semiconductor substrate corresponding to the source layer, and the impurity concentration of the body layer is reduced at an inner corner of the gate electrode, The layer is formed apart from the corner portion.
係るDMOSトランジスタによれば、前記ボディ層の不純物濃度は前記ゲート電極の内側のコーナー部で低下しており、前記ソース層は、前記コーナー部から離間して形成されているので、前記コーナー部において、前記ボディ層の不純物濃度が局所的に低下することが抑えられ、閾値電圧の低い寄生トランジスタの動作が抑えられる。
これにより、リーク電流を低減し、トランジスタのオフ時のソースドレイン間耐圧を向上することができる。尚、図12において、コーナー部の寄生トランジスタによるリーク電流を破線矢印で示した。
According to the DMOS transistor, the impurity concentration of the body layer is reduced at the corner portion inside the gate electrode, and the source layer is formed away from the corner portion. The local concentration of the impurity in the body layer is suppressed, and the operation of a parasitic transistor having a low threshold voltage is suppressed.
Thereby, leakage current can be reduced and the breakdown voltage between the source and the drain when the transistor is off can be improved. In FIG. 12, the leak current due to the parasitic transistor at the corner is indicated by a broken line arrow.
本発明のDMOSトランジスタ及びその製造方法によれば、斜めイオン注入によりボディ層を形成する際に、ソース層とドレイン層との間のリーク電流を低減し、トランジスタのオフ時のソースドレイン間耐圧を向上することができる。 According to the DMOS transistor and the manufacturing method thereof of the present invention, when forming the body layer by oblique ion implantation, the leakage current between the source layer and the drain layer is reduced, and the breakdown voltage between the source and the drain when the transistor is off is reduced. Can be improved.
[第1の実施形態]
以下、第1の実施形態による横型DMOSトランジスタ(以下、DMOSトランジスタという)及びその製造方法について説明する。図1はDMOSトランジスタのパターンを示す平面図、図2は、図1の断面図であり、図2(A)は図1のX−X線に沿った断面図、図2(B)は図1のY−Y線に沿った断面図である。尚、図1及び図2と同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a lateral DMOS transistor (hereinafter referred to as a DMOS transistor) according to the first embodiment and a manufacturing method thereof will be described. 1 is a plan view showing a pattern of a DMOS transistor, FIG. 2 is a cross-sectional view of FIG. 1, FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 1, and FIG. It is sectional drawing along the YY line of 1. FIG. In addition, about the same component as FIG.1 and FIG.2, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
本発明のDMOSトランジスタの製造方法の特徴は、ボディ層17を形成する工程にあり、ゲート電極の内側のコーナー部を臨んで、イオン注入することである。即ち、
図1、図2に示すように、ホトレジスト層18を形成した後に、ホトレジスト層18及びゲート電極14をマスクとして、A’の矢印で示された第1の方向からゲート電極14の内側の第1のコーナー部14C1を臨んで、P型不純物(例えば、ボロンやBF2)の第1のイオン注入を行う。この第1のイオン注入により、P型の第1のボディ層17A’が形成される。第1のボディ層17A’は、ソース層11に部分的に重畳されており、第1のコーナー部14C1からゲート電極14の下方に延びて形成され、第1のコーナー部14C1のボディ層17A’のP型不純物濃度を従来例のトランジスタに比して高く確保することができる。
A feature of the manufacturing method of the DMOS transistor of the present invention is in the step of forming the
As shown in FIGS. 1 and 2, after forming the
この第1のイオン注入は、イオン注入方向を半導体基板10の表面(主面)に対して垂直な方向(図3のz方向)に対して第1の角度θ1だけ傾斜させるとともに、ゲート電極14が延びる長手方向(図中のx方向)に対して第2の角度θ2だけ傾斜させて行われる。(図1、図2、図3を参照)
In the first ion implantation, the ion implantation direction is inclined by a first angle θ1 with respect to a direction (z direction in FIG. 3) perpendicular to the surface (main surface) of the
第1の角度θ1は20°以上、45°以下であり(20°≦θ1≦45°)、第2の角度θ2は15°以上、40°以下(15°≦θ2≦40°)、若しくは、50°以上、75°以下(50°≦θ2≦75°)であることが、チャネリングを抑制する上で好ましい。チャネリング抑制の上で、さらに好ましくは、ゲート電極14の長手方向(x方向)若しくは横手方向(x方向に直角のy方向)は、(110)面にオリフラを有する半導体基板10(シリコン単結晶ウエハー)の<110>方向と一致していることである。
The first angle θ1 is not less than 20 ° and not more than 45 ° (20 ° ≦ θ1 ≦ 45 °), and the second angle θ2 is not less than 15 ° and not more than 40 ° (15 ° ≦ θ2 ≦ 40 °), or It is preferable for suppressing channeling that the angle is 50 ° or more and 75 ° or less (50 ° ≦ θ2 ≦ 75 °). In view of suppressing the channeling, the longitudinal direction (x direction) or the lateral direction (y direction perpendicular to the x direction) of the
また、第1のイオン注入のドーズ量、加速エネルギーは、トランジスタの閾値等の特性を考慮して決定することができるが、典型的な場合(イオン種として、ボロンを用い、ゲート絶縁膜12の膜厚が7nm、閾値が1.0V)では、ドーズ量は4×1012〜5×1012/cm2、加速エネルギーは70keVである。
In addition, the dose amount and acceleration energy of the first ion implantation can be determined in consideration of characteristics such as a threshold value of the transistor, but in a typical case (boron is used as the ion species and the
一方、この第1のイオン注入では、第1のコーナー部14C1に隣接した第2のコーナー部14C2、反対側の第3のコーナー部14C3及び第4のコーナー部14C4には、ホトレジスト層18及びゲート電極14によるシャドーイング効果によりイオン注入がされない。そこで、次の第2のイオン注入を行う。即ち、第2のイオン注入は、図4及び図5に示すように、半導体基板10(ウエハー)を回転させた後に、第1のイオン注入と同様の条件で行われる。尚、図4はDMOSトランジスタのパターンを示す平面図、図5は、図4の断面図であり、図5(A)は図4のX−X線に沿った断面図、図5(B)は図4のY−Y線に沿った断面図である。
On the other hand, in the first ion implantation, the second corner portion 14C2 adjacent to the first corner portion 14C1 and the third corner portion 14C3 and the fourth corner portion 14C4 on the opposite side include the
第2のイオン注入はB’の矢印で示された第2の方向からゲート電極14の内側の第2のコーナー部14C2を臨んで行われる。この第2のイオン注入により、第2のボディ層17B’が形成される。第2のボディ層17B’は第2のコーナー部14C2からゲート電極14の下方に延びて形成され、第2のコーナー部14C2の第2のボディ層17B’のP型不純物濃度を従来例のトランジスタに比して高く確保することができる。この時のイオン注入の第1の角度θ1と第2の角度θ2は、第1のイオン注入と等価にすることが好ましい。
The second ion implantation is performed facing the second corner portion 14C2 inside the
同様にして、図7に示すように、C’の矢印で示された第3の方向から第3のコーナー部14C3を臨んで第3のイオン注入を行い、第3のボディ層17C’を形成する。また、同様にして、図8に示すように、D’の矢印で示された第4の方向から第4のコーナー部14C4を臨んで第4のイオン注入を行い、第4のボディ層17D’を形成する。こうして、ゲート電極14の内側の4つのコーナー部に臨んで4回のイオン注入が行われると、ボディ層17は第1〜第4のボディ層17A’〜17D’で構成されることになる。これにより、4つのコーナー部のボディ層17の不純物濃度は従来例のトランジスタに比して高く確保することができるので、ソース層11とドレイン層16との間のリーク電流を低減するとともに、トランジスタのオフ時のソースドレイン間耐圧を向上することができる。
Similarly, as shown in FIG. 7, a
尚、図面において省略されているが、ボディ層17の形成後には、ホトレジスト層18は除去され、その後、全面に層間絶縁膜が形成される。そして、ソース層11、ゲート電極14、ドレイン層16上の層間絶縁膜にそれぞれコンタクトホールが形成され、それぞれのコンタクトホールと通して、ソース層11、ゲート電極14、ドレイン層16にコンタクトする配線が形成される。
Although not shown in the drawings, after the
[第2の実施形態]
前述のように第1の実施形態においては、ゲート電極14の内側のコーナー部のボディ層17の不純物濃度を従来例に比べて高くできるが、以下の問題がある。これについて図6を参照して説明する。図6は、DMOSトランジスタのオフ時のエネルギーバンド状態を模式的に示している。一度の注入のみでボディ層17が形成されるコーナー部の寄生トランジスタのエネルギーバンド状態を実線で、二度のイオン注入でボディ層17が形成される正常部のトランジスタは破線で示している。一度当たりのイオン注入のドーズ量が同じであるとすると、コーナー部のボディ層17の不純物濃度は正常部の1/2となる。この結果、コーナー部の寄生トランジスタは、正常部のトランジスタと比較して、閾値電圧が低くなる。ゲート絶縁膜12の膜厚が7nmであるとすると、コーナー部でのリーク電流を避けるために必要な、ボディ層17の不純物濃度はコーナー部で、10の17乗の後半/cm-3、正常部で10の18乗台/cm-3程度となる。このときの正常部の閾値電圧は、1Vを超えるため低閾値電圧化には限界がある。
[Second Embodiment]
As described above, in the first embodiment, the impurity concentration of the
そこで、本実施形態においては、図9及び図10に示すように、ソース層11は、斜めイオン注入によりボディ層17の不純物濃度の低下が生じる第1〜第4のコーナー部14C1〜14C4から離間して形成したものである。つまり、ソース層11は、は第1〜第4のコーナー部14C1〜14C4から離れ、ゲート電極14によって囲まれた領域の内側に後退される。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIGS. 9 and 10, the
尚、図9はDMOSトランジスタのパターンを示す平面図、図10は、図9の断面図であり、図10(A)は図9のX−X線に沿った断面図、図10(B)は図9のY−Y線に沿った断面図である。また、図9及び図10は、第1のコーナー部14C1を臨む、第1のイオン注入に対応する構成だけを示している。第1イオン注入に続いて、第2〜第4のイオン注入も第1の実施形態と同じに行われる。 9 is a plan view showing the pattern of the DMOS transistor, FIG. 10 is a cross-sectional view of FIG. 9, FIG. 10A is a cross-sectional view along the line XX of FIG. 9, and FIG. FIG. 10 is a sectional view taken along line YY in FIG. 9. 9 and 10 show only the configuration corresponding to the first ion implantation that faces the first corner portion 14C1. Subsequent to the first ion implantation, the second to fourth ion implantations are performed in the same manner as in the first embodiment.
ソース層11と第1〜第4のコーナー部14C1〜14C4との離間される距離は、ゲート電極14、ホトレジスト層18の厚さ、それらのアスペクト比によって異なるが、典型的な場合では1〜2μmであることが好ましい。
The distance between the
図11は、第2の実施形態でDMOSトランジスタのコーナー部に形成される寄生トランジスタのオフ時のエネルギーバンド状態を模式的に示している。図11に示すように、ソース層11に隣接したボディ層17の不純物濃度は、正常部と同じとなるためボディ層17のソース層11に対するエネルギー障壁は正常部と同じになる。また、ゲート電極14がこの領域を含むボディ層17のソース層11側の上部に存在しないため、この領域には反転層が形成されない。この結果、コーナー部の寄生トランジスタの動作を完全に抑制することができる。このため、正常部の不純物濃度をゲート絶縁膜12の膜厚が7nmのときに、10の17乗台//cm-3に下げることができる。よって、DMOSトランジスタの閾値電圧を1V以下に設定することが可能となり、さらなる低閾値電圧化、低オン抵抗化が可能となる。
FIG. 11 schematically shows an energy band state when the parasitic transistor formed in the corner portion of the DMOS transistor in the second embodiment is off. As shown in FIG. 11, since the impurity concentration of the
また、上記構成に加えて、図9に示すように、ソース層11に対応して形成されたドレイン層16の端は、ゲート電極16のコーナー部から離間されたソース層11の端と揃っていることが好ましい。ソース層11とドレイン層16は平面的には四角形である。これにより、ソース層11とドレイン層16の幅が同じになるのでゲート電極16のコーナー部に、トランジスタがオンした時に流れるソースドレイン間電流が集中することが防止され、電流集中によるトランジスタの破壊(例えば、静電破壊)に対する強度の向上、ホットキャリアに対する信頼性の向上等を図ることができる。
In addition to the above configuration, as shown in FIG. 9, the end of the
尚、本発明は上記実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能であることは言うまでもない。例えば、第1及び第2の実施形態においては、ボディ層17を形成するための斜めイオン注入は、ソース層11を形成した後に行っているが、ゲート電極14の形成後、ソース層11の形成前に行ってもよい。
Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in the first and second embodiments, the oblique ion implantation for forming the
また、第1及び第2の実施形態においては、Nチャネル型のDMOSトランジスタ
は、N半導体基板10の表面に形成されているが、P型半導体基板上にN型のエピタキシャル半導体層を形成し、このエピタキシャル半導体層の表面に形成するようにしてもよい。
In the first and second embodiments, the N-channel DMOS transistor is formed on the surface of the
また、第1及び第2の実施形態においては、Nチャネル型のDMOSトランジスタ
について説明したが、本発明は、Pチャネル型のDMOSトランジスタについても、
ソース層11、ドレイン層16、ボディ層17の導電型を逆導電型に変更することにより、適用することができる。
In the first and second embodiments, the N-channel type DMOS transistor has been described. However, the present invention also relates to a P-channel type DMOS transistor.
This can be applied by changing the conductivity type of the
10 半導体基板 11 ソース層 12 ゲート絶縁膜
13 電界緩和用絶縁膜 14 ゲート電極
14C1〜14C4 第1〜第4のコーナー部
15 スペーサ膜 16 ドレイン層 17 ボディ層
17A’〜17D’ 第1〜第4のボディ層 18ホトレジスト層
DESCRIPTION OF
14C1 to 14C4 First to
Claims (6)
前記ボディ層を形成する工程は、前記ゲート電極の内側のコーナー部を臨んで、第2導電型不純物を前記半導体基板の表面にイオン注入する工程を含むこと特徴とするDMOSトランジスタの製造方法。 A semiconductor substrate, a source layer of a first conductivity type formed on the surface of the semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate, and the source layer surrounded by the gate insulating film A gate electrode formed in a ring shape, a body layer of a second conductivity type superposed on the source layer and extending to the surface of the semiconductor substrate below the gate electrode, and the source layer corresponding to the source layer In a method for manufacturing a DMOS transistor, comprising a drain layer of a first conductivity type formed on a surface of a semiconductor substrate,
The method of manufacturing a DMOS transistor, wherein the step of forming the body layer includes a step of ion-implanting a second conductivity type impurity into the surface of the semiconductor substrate so as to face a corner portion inside the gate electrode.
前記ボディ層の不純物濃度は前記ゲート電極の内側のコーナー部で低下しており、前記ソース層は、前記コーナー部から離間して形成されていることを特徴とするDMOSトランジスタ。 A semiconductor substrate, a source layer of a first conductivity type formed on the surface of the semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate, and the source layer surrounded by the gate insulating film A gate electrode formed in a ring shape, a second conductivity type body layer overlapping the source layer and extending to the surface of the semiconductor substrate below the gate electrode, and the semiconductor substrate corresponding to the source layer A drain layer of a first conductivity type formed on the surface of
The DMOS transistor is characterized in that the impurity concentration of the body layer is lowered at a corner portion inside the gate electrode, and the source layer is formed apart from the corner portion.
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